ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Изделия, содержащие твердые сплавы и работающие при высоких температурах, испытывают большие температурные деформации, точность расчета которых зависит от точности температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР). В литературных источниках данные по значениям ТКЛР для твердых сплавов значительно разнятся: не указаны тип ТКЛР, условия проведения экспериментов и часто игнорируется факт зависимости ТКЛР от температуры. Предметом исследования является ТКЛР вольфрамокобальтовых твердых сплавов с различной концентрацией кобальта по массе в диапазоне 3..20 %. Цель работы – получение зависимостей деформации твердых сплавов с разной концентрацией кобальта от температуры и уточнение значений ТКЛР с учетом учитывая его изменения от температуры. Методы. Исследования проводились на дилатометре Netzsch 402 PC в воздушной среде. Для исключения искажений показаний на начальном участке нагрева, обусловленных конструктивными особенностями дилатометров с толкателями, применен специальный метод обработки результатов. Он включает в себя расчет по полученным на дилатометре абсолютным удлинениям образца дифференциальных (истинных) ТКЛР, их аппроксимацию линейной функцией с последующим ее интегрированием по температуре для получения зависимости относительной деформации от температуры. Результаты и обсуждение. Получены экспериментальные значения температурных деформаций твердых сплавов в диапазоне от 20 до 650 °С и рассчитаны значения дифференциальных ТКЛР. Выявлена линейная зависимость дифференциального ТКЛР от температуры, приведены коэффициенты аппроксимирующих функций для разных концентраций кобальта. Выведены зависимости относительных температурных деформаций твердых сплавов от температуры для разных концентраций кобальта и приведены коэффициенты аппроксимирующих полиномов. Установлено, что с увеличением концентрации кобальта линейно увеличиваются значения ТКЛР и скорость его изменения. Приведена обобщенная формула, позволяющая рассчитать относительную температурную деформацию и ТКЛР по известной температуре и концентрации кобальта. Полученные результаты могут быть использованы в задачах расчета тепловых деформаций и напряжений в изделиях, содержащих вольфрамокобальтовые твердые сплавы.

1. Hou W.-M., Thalmann R. Thermal expansion measurement of gauge blocks // Proceedings SPIE. – 1998. – Vol. 3477: Recent developments in optical gauge block metrology. – P. 272–278. – DOI: 10.1117/12.323116.

2. FEM analysis on the effect of cobalt content on thermal residual stress in polycrystalline diamond compact (PDC) / Z. Li, H. Jia, H. Ma, W. Guo, X. Liu, G. Huang, R. Li, X. Jia // Science China Physics, Mechanics and Astronomy. – 2012. – Vol. 55. – P. 639–643. – DOI: 10.1007/s11433-012-4654-4.

3. Patent US 8323372, IPC C 22 C 29/00 (2006.01). Low coefficient of thermal expansion cermet compositions / Z. Fang, A. Griffo, G.T. Lockwood, D.-B. Liang. – Appl. N 09/494,877; filed 31.01.2000; publ. 04.12.2012.

4. Thermophysical and microstructural studies on thermally sprayed tungsten carbide-cobalt coatings / S. Thiele, K. Sempf, K. Jaenicke-Roessler, L.-M. Berger, J. Spatzier // Journal of Thermal Spray Technology. – 2011. – Vol. 20, iss. 1–2. – P. 358–365. – DOI: 10.1007/s11666-010-9558-0.

5. Diamond film deposition on WC–Co and steel substrates with a CrN interlayer for tribological applications / M. Chandran, A. Hoffman // Journal of Physics D: Applied Physics. – 2016. – Vol. 49, N 21. – DOI: 10.1088/0022-3727/49/21/213002.

6. Alt?parmak S. Analysis of thermal expansion and micro-delamination phenomenon of cutting tool thin surface coatings in high-speed dry machining [Electronic resource] // Kirklareli University Journal of Engineering and Science. – 2018. – Vol. 4, iss. 2. – P. 189–211. – URL: https://dergipark.org.tr/download/article-file/618756 (accessed 16.08.2019).

7. Магунов А.Н. Лазерная термометрия твердых тел. – М.: Физматлит, 2001. – 224 с. – ISBN 5-9221-0222-2.

8. Патент 2442967 Российская Федерация, МПК G 01 K 5/48, B 23 Q 11/00 (2006.01). Способ определения температурных полей в режущей части инструмента в процессе резания / И.А. Ефимович, И.С. Золотухин, Е.И. Швецова. – № 2010134543/28; заявл. 18.08.10; опубл. 20.02.12, Бюл. № 5.

9. Hidnert P. Thermal expansion of cemented tungsten carbide [Electronic resource] // Journal of Research of the National Bureau of Standards. – 1936. – Vol. 18. – P. 47–52. – URL: https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/jres/18/jresv18n1p47_A1b.pdf (accessed 16.08.2019).

10. Киффер Р., Бенезовский Ф. Твердые сплавы. – М.: Металлургия, 1971. – 392 с.

11. Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1976. – 528 c.

12. Металлообрабатывающий твердосплавный инструмент: справочник / В.С. Самойлов, Э.Ф. Эйхманс, В.А. Фальковский и др. – М.: Машиностроение, 1988. – 368 c. – ISBN 5-217-00263-8.

13. ASM handbook. Vol. 2. Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials. – S. l.: ASM International, 1991. – 1328 p. – ISBN 978-0-87170-378-1.

14. ASM ready reference: thermal properties of metals. – S. l.: ASM International, 2002. – 560 p. – ISBN 978-0-87170-768-0.

15. Shinohara K., Ueda F., Tanase T. Thermal expansion coefficient and thermal conductivity of WC based cemented carbides // Journal of the Japan Society of Powder and Powder Metallurgy. – 1993. – Vol. 40, iss. 1. – P. 29–32. – DOI: 10.2497/jjspm.40.29.

16. Roebuck B., Gee M.G. Miniaturised thermomechanical tests on hardmetals and cermets // Materials Science and Engineering. – 1996. – Vol. 209, iss. 1–2. – P. 358–365. – DOI: 10.1016/0921-5093(95)10134-9.

17. Upadhyaya G.S. Materials science of cemented carbides – an overview // Materials and Design. – 2001. – Vol. 22, iss. 6. – P. 483–489. – DOI: 10.1016/S0261-3069(01)00007-3.

18. Wang H., Webb T., Bitler J.W. Study of thermal expansion and thermal conductivity of cemented WC–Co composite // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2015. – Vol. 49. – P. 170–177. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2014.06.009.

19. Modes of failure of cemented tungsten carbide tool bits (WC/Co): a study of wear parts / P. Katiyar, P. Singh, R. Singh, A. Lava Kumar // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2016. – Vol. 54. – P. 27–38. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2015.06.018.

20. Ezquerra B.L., Rodriguez N., Sánchez J.M. Comparison of the damage induced by thermal shock in hardmetals and cermets // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2016. – Vol. 61. – P. 147–150. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2016.09.008.

21. A micromechanical constitutive modeling of WC hardmetals using finite-element and uniform field models / D. Tkalich, G. Cailletaud, V.A. Yastrebov, A. Kane // Mechanics of Materials. – 2016. – Vol. 105. – DOI: 10.1016/j.mechmat.2016.11.007.

22. Álvarez E.A., Garcia J.L., González Oliver C.J.R. Thermal cycling behavior of thin WC-Co sintered pellets // Advanced Engineering Materials. – 2017. – Vol. 19, iss. 3. – DOI: 10.1002/adem.201600544.

23. Аматуни А.Н. Методы и приборы для определения температурных коэффициентов линейного расширения материалов. – М.: Изд-во стандартов, 1972. – 140 с.

24. A review of measurement techniques for the thermal expansion coefficient of metals and alloys at elevated temperatures / J.D. James, J.A. Spittle, S.G.R. Brown, R.W. Evans // Measurement Science and Technology. – 2001. – Vol. 12. – R1–R15. – DOI: 10.1088/0957-0233/12/3/201.

25. ГОСТ 3882–74. Сплавы твердые спеченные. Марки. – М.: Изд-во стандартов, 1998. – 13 с.